工程材料05(钢的热处理)汇编.pps

《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 热 处 理 概 述 热处理——在固态下，通过对材料进行加热、保温和冷却，改变材料的组 织结构，以获得所需性能的一种工艺方法 主要特点：热处理是在固态下进行，只改变工件的组织和性能，而尺寸和 形状基本不变 ——区别于铸、锻、焊、切削等加工工艺 基本原理：平衡组织 加热、保温 A 不同冷速 各种非平衡组织（不同性能） 热处理工艺曲线：热处理的基本过程分为 加热、保温和冷却三个阶段，对 应的主要参数分别为加热温度、保温时间和冷却速度 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 热处理的作用： 1、改善金属材料的使用性能，提高产品的质量和寿命→最终热处理 2、改善材料的加工性能，使材料便于加工 →预备热处理 例如，对T8钢材料采用： 淬火+低温回火（HRC58-62），用于制作工具，具有良好的耐磨性 球化退火（HRC18-23），适合于进行切削加工 热处理的分类： 渗碳 渗氮 碳氮共渗 热 处 理 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 化学热处理 感应加热淬火 火焰加热淬火 激光加热淬火 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 第一节 钢在加热时的转变 钢材在热处理时，首先需要进行加热和保温，使钢材组织中的F和Fe3C 转变为A，该过程称为“奥氏体化”。

铁碳相图中的A1、A3、Acm是平衡转变点，而在实际生产中，加热和冷 却的速度较快，因此加热时的相变点要高于平衡点，用Ac1、Ac3、Accm表示 ，冷却时的相变点要低于平衡点，用Ar1、Ar3、Arcm表示，并且加热/冷却 速度越快，温度差异越大 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 一、钢的奥氏体过程 共析钢在加热和保温时，组织由P（F+Fe3C)转变为A 奥氏体化过程包括以下四个阶段： （a）A晶核的形成 （b）A晶核的长大 （c）残余Fe3C的溶解 （d）A体的均匀化 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 二、钢的奥氏体过程 奥氏体化过程中，若加热的温度过高或保温时间过长，奥氏体中较大的 晶粒会吞并较小的晶粒，出现晶粒长大的现象，而奥氏体晶粒的大小会影响 冷却后获得组织的晶粒大小因此，控制奥氏体晶粒的大小，对细化热处理 后的组织、提高材料的性能具有重要意义 1、奥氏体的晶粒度 实际晶粒度——度量钢材晶粒实际大小的指标，分为10级，参阅《金属 平均晶粒度测定方法》（GB/T6394-2002） 本质晶粒度——衡量钢材晶粒加热和 保温时长大倾向的指标。

本质细晶粒钢在 加热时晶粒不容易长大；本质粗晶粒钢在 加热时晶粒容易长大，需要严格控制加热 的温度和保温的的时间 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 2、奥氏体晶粒度的控制方法 制定合理的热处理工艺参数，是控制奥氏体晶粒度的主要方法 （1）加热温度：热处理时必须选定合适的温度，一般都是将工件加热到 相变点以上某一温度（20~30℃），如果加热温度过高会导致材料的晶粒迅 速长大 （2）保温时间：保温是使工件内外温度均达到预定的温度，促进Fe3C的 溶解和奥氏体的均匀化如果保温时间延长，晶粒也会长大一般保温时间 可按以下经验估计：碳钢材料按工件厚度每毫米需1~1.2分钟，合金钢则需 要2分钟左右 （3）加热速度的影响：加热速度越快， 奥氏体的形核率越高，有利于获得细小的 晶粒，生产中常采用快速加热和短时间保 温的方法来细化晶粒 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 第二节 钢在冷却时的转变 钢在加热和保温后获得A组织，是为随后的冷却转变作准备热处理后 的组织和性能主要由冷却过程来决定，因此控制奥氏体在冷却时的转变过程 是热处理的关键。

热处理生产中，常用的热处理方式有两种： （1）等温冷却 （2）连续冷却 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 一、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体冷却到A1温度以下，处于不稳定的状态，称为“过冷奥氏体”， 经过一个孕育期后，开始发生变化过冷奥氏体在不同温度下发生等温转变 ，获得的和性能则有明显的变化 1、等温冷却转变曲线的建立 （以共析钢为例） 一般采用金相实验法：选用薄钢片 试样，加热A化后急冷到某一温度，保 温一段时间观察试样的组织实验每次 采用不同温度，进行一系列实验，即可 获得等温冷却转变曲线，该曲线也称为 TTT曲线或C曲线 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 2、过冷A等温冷却转变产物的组织和性能 ①、高温转变： A→P 550℃~A1 P类型的组织为（F+Fe3C）机械混 合物,呈平行片层状分布 形成过程：在A晶粒内部先形成Fe3C片， 然后在两侧形成F片，交替进行，从而获得 F与Fe3C二者片层相间的P组织 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 珠光体类型的组织，根据转变温度和片层间距离，可以分为： 680℃~A1：珠光体P，片层间距较大（0.4μm），10-20HRC 600~680℃： 索氏体S，片层间距较小（0.2-0.4μm），20-30HRC 550- 600℃： 托氏体T，片层间距很小 0.2μm， 30-40HRC 即：转变的温度越低，转变获得的P类型组织的片层间距越小，组织中的 相界面增多，塑性变形抗力增大，强度和硬度提高，同时塑性和韧性也有一 定的改善。

实际生产中，常通过控制A转变的过冷度，减小P型组织的片层间 距，从而达到提高工件的性能的目的 P类 组织 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 ②、中温转变： A→B 转变温度为Ms~550℃ B类型的组织为由过饱和碳的铁素体与碳化物两相组成，根据转变温度的 不同，B型组织分为上贝氏体和下贝氏体两类 上贝氏体（B上）的转变温度为350~550℃该组织中，并排的铁素体束 由晶界伸向晶内，而碳化物分布在铁素体束之间，因此B上的组织特征呈羽毛 状，性能特点是强度低而脆性大，基本没有实用价值，热处理时应避免产生这 种组织 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 下贝氏体（B下）的转变温度为MS~350℃该组织以呈针叶状的铁素体 片为主，细小的碳化物弥散分布在铁素体片内部 因此，B下的组织特征呈针 叶状，性能特点是具有较高的强度、硬度和韧性，综合力学性能良好生产中 对形状复杂的工件常采用等温淬火，其目的就是为了获得B下组织 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 ③、低温转变： A→M 转变温度低于MS线 马氏体（M）转变的温度很低，转变速度极快，没有原子的扩散，因此M 是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是一种单相的亚稳定组织。

M组织的含碳量 取决于转变前A组织的含碳量，根据含碳量的不同，M型组织分为低碳M和高 碳M两类 M转变的特点： a、非扩散性 b、M转变在一定范围内进行（Ms，Mz） c、转变的不完全性（A’） d、瞬时性（无孕育期） e、转变时体积增大 含碳量＜0.2%的奥氏体转变获得低碳M，该组织特征呈板条状，也称为 板条M，性能特点是强韧性较好，生产中应用广泛 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 含碳量＞1.0%的奥氏体转变获得高碳M，组织特征呈针片状，也称为针 状M该组织含碳量高，晶格畸变严重，性能特点是硬度很高，但塑性、韧性 很差 含碳量为0.2~1.0%的碳钢淬火后，将获得的高碳M和低碳M的混合组 织，随含碳量的升高，淬火钢中低碳M减少，高碳M增加 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 3、亚共析钢与过共析钢的等温转变 （1）C曲线的位置 正常热处理条件下，亚共析钢的C曲线随含碳量增 加向右移，过共析钢的C曲线随含碳量增加向左移 （2）先共析转变 对于亚共析钢和过共析钢，在发生共析转变之前 ，会发生“先共析转变”，分别析出F和Fe3CⅡ。

《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 二、过冷奥氏体的连续冷却转变（CCT） 1、连续冷却转变曲线的建立 建立方法与TTT曲线相同，在生产中的应用 更为广泛 2、连续冷却转变曲线分析 （1）CCT曲线（较TTT曲线）的位置略靠右 下方一些，即转变温度略低一些，孕育期增大 （2）共析钢的CCT曲线没有B类型转变 （3）临界冷却速度 Vk Vk——在鼻尖处与CCT曲线相切 含义：当V冷≥ Vk时，过冷A只转变M，不出 现P型组织（软点） Vk减小，该材料淬火能力提高， 淬火内应力（相变应力+热应力）降低， 淬火时工件不易变形、开裂，在生产应用中有重要的实际意义 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 3、共析钢过冷A的连续冷却转变产物 退火（炉冷）：V1 P 10-20 HRC 正火（空冷）：V2 S 20-30 HRC 淬火（油淬）：V3 T+M 45-55 HRC （水淬）：V4 M 55-70 HRC 表明：随着冷却速度的提高，材料转变产物 的组织发生变化，强度、硬度提高 左图为亚共析钢的CCT曲线，分析说 明图中各点的组织转变产物。

《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 第三节 钢的退火与正火 退火和正火热处理工艺在机械生产中应用广泛，一般作为预备热处理， 改善材料的加工性能对于要求不高的零件和大型零件，它们也可以作为最 终热处理 一、钢的退火 退火——将钢件加热到适当温度，保温，缓慢冷却的热处理工艺 退火操作的主要目的是： （1）降低钢件的硬度，改善切削性能 （2）消除加工硬化，提高钢件的塑性 （3）细化晶粒，改善组织，为后续热处理作好组织准备 （4）消除应力，稳定工件尺寸 根据退火操作的目的和作用，常用的退火可以分为完全退火、等温退火 、球化退火、均匀化退火、去应力退火等 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 1、完全退火 将工件加热到Ac3+(30~50)℃，保温A化后缓慢冷却（一般随炉冷却）, 获得接近于平衡组织的退火工艺主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢，目 的是细化晶粒，消除内应力和组织缺陷，降低硬度，为后续的切削加工或淬 火作好组织准备 2、等温退火 将工件加热到Ac3+(30~50)℃，保温A化后以较快的速度冷却到珠光体转 变区，再保温一段时间，发生珠光体转变后，工件出炉在空气中冷却。

等温 退火的目的与完全退火相同，但可以缩短退火时间，提高生产效率 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 3、球化退火 将工件加热到Ac1+(20~30)℃，保温一段时间后，随炉缓慢冷却，获得 球状碳化物的退火工艺主要用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢，目的 是使钢中的碳化物转变为球状，降低硬度，改善切削性能 4、均匀化退火 将工件加热到1000~1200℃，长时间保温后再随炉缓慢冷却的退火工艺 主要用于合金钢中铸件，目的是通过高温下原子的扩散，消除铸件中的枝 晶偏析，使材料成分均匀，也称为扩散退火注：由于均匀化退火加热温度高、时 间长，一般需要随后进行一次完全退火或正火来消除“过热”缺陷 5、去应力退火 将工件加热到Ac1-(100~200)℃，保温后随炉缓慢冷却的退火工艺去 应力退火的加热温度较低，也称为低温退火，过程中不发生相变，目的是消 除工件中残余内应力，防止变形和开裂 《工程材料及应用》 第五章 钢的热处理 二、钢的正火 正火——将钢件加热到Ac3或Accm以上（30~50）℃，保温A化后，在空 。